Lasing - de emissie van een gecollimeerde lichtstraal met een goed gedefinieerde golflengte (kleur) en fase - is het resultaat van een zelforganisatieproces, waarin een verzameling emissiecentra zichzelf synchroniseert om identieke lichtdeeltjes (fotonen) te produceren. Een soortgelijk zelfgeorganiseerd synchronisatiefenomeen kan ook leiden tot het genereren van coherente trillingen - een fononlaser, waar fonon staat voor, analoog aan fotonen, de kwantumdeeltjes van geluid.

Fotonenlasing werd ongeveer 60 jaar geleden voor het eerst aangetoond en toevallig, 60 jaar na de voorspelling door Albert Einstein. Deze gestimuleerde emissie van versterkt licht vond een ongekend aantal wetenschappelijke en technologische toepassingen op meerdere gebieden.

Hoewel het concept van een "laser van geluid" bijna tegelijkertijd werd voorspeld, er zijn tot nu toe slechts enkele implementaties gerapporteerd en geen enkele heeft de technologische volwassenheid bereikt. Nutsvoorzieningen, een samenwerking tussen onderzoekers van Instituto Balseiro en Centro Atómico in Bariloche (Argentinië) en Paul-Drude-Institut in Berlijn heeft een nieuwe benadering geïntroduceerd voor het efficiënt genereren van coherente trillingen in het tientallen GHz-bereik met behulp van halfgeleiderstructuren. interessant, deze benadering van het genereren van coherente fononen is gebaseerd op een andere voorspelling van Einstein:die van de 5e toestand van de materie, een Bose-Einstein condensaat (BEC) van gekoppelde licht-materiedeeltjes (polaritonen).

De polariton BEC is gemaakt in een microgestructureerde val van een halfgeleider-microholte die bestaat uit elektronische centra die zijn ingeklemd tussen gedistribueerde Bragg-reflectoren (DBR's) die zijn ontworpen om licht met dezelfde energie ℏωC te reflecteren dat wordt uitgezonden door de centra (zie figuur 1a). Wanneer optisch geëxciteerd door een lichtstraal met een andere energie L, waarvoor de DBR transparant is, de elektronische toestanden van de centra zenden lichtdeeltjes (fotonen) uit bij de energie ℏωC, die worden teruggereflecteerd op de DBR's. De fotonen worden dan weer opnieuw geabsorbeerd door de centra. De snelle en herhalende opeenvolging van emissie- en reabsorptiegebeurtenissen maakt het onmogelijk om te onderscheiden of de energie is opgeslagen in een elektronische of fotonische toestand. Men zegt eerder dat de vermenging tussen de staten een nieuwe, licht-materie deeltje, polariton genoemd. Verder, onder een hoge deeltjesdichtheid (en geholpen door de ruimtelijke lokalisatie veroorzaakt door de val), de polaritonen komen in een zelfgeorganiseerde toestand, vergelijkbaar met fotonen in een laser, waar alle deeltjes synchroniseren om licht uit te zenden met dezelfde energie en fase - een polariton BEC-laser. De karakteristieke signatuur van de polariton BEC is een zeer smalle spectraallijn geïllustreerd door de blauwe curve in figuur 1b, die kan worden gedetecteerd door het meten van de verdwijnende straling die uit de microholte ontsnapt.

Een andere interessante eigenschap van de gebruikte microcavity mirrors (DBR's) is het vermogen om niet alleen optische (licht) maar ook mechanische trillingen (geluid) te reflecteren binnen een specifiek bereik van golflengten. Als gevolg hiervan, een typische AlGaAs-microholte voor fotonen in het nabij-infrarood beperkt ook quanta van trillingen - fononen - waarbij de energie ℏωa overeenkomt met de oscillatiefrequentie ωa/2p van ongeveer 20 GHz. Omdat de fotonreflectie door de DBR's de vereiste feedback geeft voor de vorming van een polariton BEC, fononreflectie leidt tot een opbouw van de fononpopulatie en een versterking van de fononinteractie met het polariton BEC.

Hoe verloopt de interactie tussen polaritonen en fononen? Als lucht in een band, een hoge dichtheid van gecondenseerde polaritonen oefent een druk uit op de microholtespiegels, die mechanische oscillaties kan veroorzaken en ondersteunen bij de frequentie van de beperkte fononen. Deze ademhalingsoscillaties wijzigen de afmetingen van de microholte, dus terugwerkend op de polariton BEC. Het is deze gekoppelde optomechanische interactie die aanleiding geeft tot de coherente emissie van geluid boven een kritische polaritondichtheid. Een vingerafdruk van deze coherente emissie van fononen is de zelfpulsatie van de BEC-emissie onder continue excitatie door een laser met de energie L. Deze zelfpulsatie wordt geïdentificeerd door de opkomst van sterke zijbanden rond de polariton BEC-emissie die wordt verplaatst door de veelvouden van de fonon-energie a (zie de rode curve in figuur 1b).

Analyse van de amplitude van de zijbanden in figuur 1b laat zien dat honderdduizenden monochromatische fononen de resulterende trillingstoestand bevolken en naar het substraat worden uitgezonden als een 20 GHz coherente fonon-laserstraal. Een essentieel kenmerk van het ontwerp is de stimulatie van de fononen door een interne, zeer intense en monochromatische lichtzender - de polariton BEC - die niet alleen optisch maar ook elektrisch kan worden opgewekt, zoals in een Vertical Cavity Surface Emitting Laser (VCSEL). Verder, hogere fononfrequenties kunnen worden bereikt door geschikte aanpassingen van het ontwerp van de microholte. Mogelijke toepassingen van de fonon-laser zijn onder meer de coherente controle van lichtstralen, kwantumstralers, en poorten in communicatie- en kwantuminformatie-apparaten, evenals licht-naar-microgolf bidirectionele conversie in een zeer breed 20-300 GHz frequentiebereik dat relevant is voor toekomstige netwerktechnologieën.